撰稿|由课题组供稿
近日，美国科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado Boulder）的尹晓波研究组设计了一种基于单向光提取和光谱转换的聚合物薄膜，并将其用于促进温室大棚作物生长，展示了该新型薄膜材料在设施农业领域的巨大应用潜力。文章于2021年6月18日在线发表在《自然-食品》（Nature Food）期刊上，并被选为当期封面文章。沈礼华博士为该工作的第一作者，尹晓波教授为通讯作者。此外，美国密歇根州立大学的合作者也为该工作做出了贡献。
光合作用是一切生物生存、繁衍和发展的根本保障。绿色植物利用太阳的光能，同化二氧化碳和水制造有机物质并释放氧气。然而，不同波长的光线对于植物光合作用的影响是不同的，植物光合作用所需要的光线波长在400-700 nm左右。其中，400-500 nm（蓝色）以及600-700 nm（红色）的光线对于植物光合作用尤为重要，此波段植物光合作用相对量子效率较高。这种光质效率的差异为确定以红光和蓝光为核心的温室植物栽培提供了初步的科学依据。然而，现代设施农业植物生长补光或者全人工光种植的植物需要消耗大量的照明用电。目前，转光膜在设施园艺生产上得到了广泛的关注与应用。其利用膜中转光剂将不利于植物生长或对植物光合作用不大的太阳光转化成对植物光合作用更为有效的红橙光及蓝光，通过改变透过膜的光质来提高农作物光合作用强度，为促进农作物生长提供了一种新方法。然而，普通转光膜具有外量子效率低的问题，其主要原因在于其低效的光提取能力。为此，研究团队利用薄膜表面光学微结构，操控材料内部转换光的发射方向，为提升转光膜取光效率和外在量子效率提供了一种新的研发思路。
研究团队围绕转光膜出光效率、可加工性、制备成本和耐候性等应用关键问题，首次研发了可大面积制备的、具有单向取光功能的聚合物转光薄膜材料，解决了普通聚合物转光膜面临的出光效率低的难题。研究团队运用蒙特卡洛光线追踪（Monte Carlo ray tracing）技术，通过对薄膜表面光学微观结构设计、筛选与优化，打破了普通转光膜内在的光传播对称性，在不借助反射媒介的情况下，使得研发的聚合物薄膜总取光效率高达89%，单一方向取光效率则高达73%。此时薄膜的外量子效率也从9%（不含任何光学微结构）显著提升至29%，从而实现了薄膜内部转化光从单一方向发射的目的，有效地改善了透过膜的光质。此结果为通过利用改善光质这一手段进一步提升农作物生长提供了新的可能。研究人员进而分别研究了在室内LED照明、温室大棚和户外日照环境下，薄膜对生菜（“Buttercrunch” lettuce）生长的影响；实验结果表明，薄膜对生菜生长具有明显的促进作用，植株更大，叶面积更大，其总体产量提升高达22%。因此，这种基于单向光提取和光谱转换的聚合物薄膜有望广泛应用于温室大棚和其它设施农业领域如蔬菜工厂，为实现农作物可持续增产提供了一种节能和高效的方法，也为解决全球粮食安全生产提供了可行方案。
图一. 具有单向光提取微结构的聚合物转光膜及其性质
图二. 转光膜应用于室内可控环境和LED灯照条件下生菜生长情况
图三. 转光膜应用于温室大棚和普通日照条件下生菜生长情况
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s43016-021-00307-8#Sec14
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